Взаимодействие высокоскоростного гетерогенного потока с элементами конструкции ЛА тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Буляккулов, Марсель Маратович

• Буляккулов, Марсель Маратович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Буляккулов, Марсель Маратович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Методы и средства моделирования процессов взаимодействия гетерогенных потоков с твердой стенкой

1.1. Применение высокоскоростных гетерогенных потоков в различных отраслях техники

1.2. Моделирование гетерогенных потоков и их взаимодействие с элементами конструкций

1.3. Газодинамика гетерогенных потоков

1.4. Силы, действующие в газовом потоке на изолированную частицу

Глава 2. Методы и средства диагностики параметров при исследовании взаимодействия гетерогенных потоков с преградой

2.1. Лазерная доплеровская анемометрия

2.2. Определение плотности конвективного теплового потока

2.3. Определение температуры поверхности исследуемого объекта

Глава 3. Обтекание летательного аппарата конической формы, притупленного сферой, высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком

3.1. Математическая модель обтекания летательного аппарата конической формы, притупленного сферой, высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком

3.2. Особенности численного решения математической модели процесса обтекания высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком летательного аппарата конической формы, притупленного сферой

3.3. Численное моделирование процессов обтекания высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком летательного аппарата конической

формы, притупленного сферой

Глава 4. Алгоритм расчета определяющих процессов при натекании высокоскоростного полидисперсного гетерогенного потока на плоскую

4.1. Алгоритм расчёта скорости частиц при натекании сверхзвукового гетерогенного потока на плоскую преграду

4.2. Алгоритм расчета инерционного движения частиц сверхзвукового гетерогенного потока через ударную волну и сжатый слой

4.3. Анализ режимов инерционного движения частиц в сжатом слое

4.4. Динамика удара твердой частицы о поверхность и сопутствующие процессы

4.5 Анализ особенностей эрозионного разрушения материалов при взаимодействии сверхзвукового гетерогенного полидисперсного потока с

твёрдой стенкой

5. Механизм взаимодействия высокоскоростного гетерогенного потока с поверхностью конструкционных материалов

5.1. Анализ особенностей эрозионного разрушения металлических конструкционных материалов при взаимодействии с высокоскоростным гетерогенным потоком

5.2. Развитие физического механизма эрозионного разрушения металлических конструкционных материалов и сплавов при воздействии высокоскоростных гетерогенных потоков

5.3. Анализ особенностей разрушения материалов теплозащитного назначения при взаимодействии с высокоскоростным гетерогенным

потоком

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие высокоскоростного гетерогенного потока с элементами конструкции ЛА»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации.

В связи с не прекращаемым развитием и совершенствованием техники постоянно повышаются и требования к самим изделиям, их функциональным возможностям и условиям, в которых они эксплуатируются. Данный факт проявляется в непрерывном увеличении скорости, температуры, агрессивности рабочих сред, чрезмерных механических нагрузок.

Одним из основных факторов, сдерживающих развитие таких отраслей, как энергетическое и транспортное машиностроение, зачастую являются применяемые материалы, а точнее ограничения, связанные с их свойствами. Примером подобных ограничений параметров является эрозионная стойкость конструкционных и теплозащитных материалов при взаимодействии с высокоскоростными гетерогенными потоками [1, 2].

В настоящее время, задачи взаимодействие высокоскоростных гетерогенных потоков с различными конструкциями вошли в разряд проблемных задач машиностроения. К таким задачам относятся:

- борьба с механической эрозией поверхности элементов конструкции высокоскоростных летательных аппаратов при обтекании гетерогенными потоками большой скорости;

- совершенствование технологии механической обработки поверхностей конструкции с использованием высокоскоростных гетерогенных потоков в качестве технологического инструмента;

- дальнейшее развитие технологий формирования разнофункциональных покрытий на поверхностях конструкций с использованием газодинамических методов (высокоскоростных гетерогенных потоков) [1].

Исследование проблемы эрозионного разрушения материалов начались учеными примерно 150 лет тому назад. В тот момент причиной являлось активное развитие горнодобывающей промышленности. Следует обратить внимание, что

результаты исследований в данном направлении привели к увеличению скорости соударения частиц о поверхность элементов конструкции почти до 500 м/с [3].

В газовой поток частицы могут попадать как естественным, так и искусственным путем. Примерами технологий, где используются гетерогенные потоки (поток газа с твердыми или жидкими частицами), являются ракетные двигатели с твердым топливом на металлизированной основе, струйно-абразивная обработка деталей машин, пневмотранспорт сыпучих веществ и т.д. Несмотря на использование современных фильтрационных систем, зачастую не получаются полностью избавится от присутствия частиц в потоке рабочего тела: конденсированный пар на лопатках в паротурбинных агрегатах электростанций; пыль на лопатках газотурбинных двигателей танков, которая приводит к появлению усталостных напряжений, а со временем и к разрушению поверхностного слоя лопаток.

При высокоскоростном полете в нижних слоях атмосферы приходится преодолевать различные участки с естественными (дождь, снег, град) и искусственными (пыль) образованиями. Данные образования присутствуют как в атмосфере Земли, так и других планет. Даже в чистой атмосфере поверхность спускаемых аппаратов сильно нагревается, в следствии чего происходит термохимическое разрушение внешней тепловой защиты (абляция). При попадании спускаемого аппарата в пылевое (дождевое) облако теплообмен на его поверхности может увеличиваться более, чем на порядок величины, а эрозионное разрушение от высокоскоростных ударов частиц может возрастать на два порядка по сравнению с абляцией. [2, 4, 5 ,6, 7, 8]

Решение указанных задач, как правило, осуществляется экспериментально -теоретическими методами.

Задача обтекания тел разных форм высокоскоростными гетерогенными потоками все ещё остается актуальной при эксплуатации в экстремальных условиях изделий авиационной, ракетной и космической техники. Сложность решения такой задачи заключается в том, что она относится к разряду комплексных, многопараметрических задач. В ней тесно сопряжены задачи

термо-газодинамики и тепло-массообмена гетерогенной неизотермической среды, а также механического взаимодействия с обменом импульса дискретной фазы, сопровождающегося процессом эрозии поверхности обтекаемого тела [1].

Обтекание тел гетерогенным потоком осуществляется двумя фазами, газообразной (газ-носитель) и твёрдой (частицы разной дисперсности, «К-фаза»). При высоких скоростях набегающего газового потока содержание в нём даже малой концентрации частиц резко изменяет картину обтекания и вызывает существенное дополнительное разрушение элементов конструкции летательного аппарата. При этом к термохимическому и силовому воздействию на обтекаемое тело газовой составляющей набегающего потока, добавляется термоэрозионное, механическое воздействие дискретной фазы. Все эти газодинамические, тепловые, термохимические и термоэрозионные процессы тесно взаимосвязаны и вблизи поверхности (пограничный слой) обтекаемого тела [2]. Они видоизменяют механизмы термо-газодинамики и энерго-массообмена, а также оказывают влияние непосредственно на ресурс работы конструкции. Например, даже незначительные содержание «К-фазы» в высокоскоростном газовом потоке существенно изменяют режим течения, интенсифицируют теплоотдачу, увеличивают термохимическое разрушение и механическую эрозию поверхности конструкции за счет выброса массы осколков из образовавшихся при ударе кратеров. Последние, обладая значительной скоростью, достигают головной ударной волны, искажая её профиль и перестраивая все поле скоростей газового потока в сжатом и пограничном слое. Прогрев подповерхностных слоев обтекаемого тела влияет на его эрозионную стойкость, прежде всего, на массу выброшенных из кратера осколков и на конвективный теплообмен.

Кроме того, в процессе совместного движения газ-носитель и «К-фаза» обмениваются энергией и импульсом, что может явиться причиной плавления, горения или испарения частиц, то есть различных физико-химических превращений, в результате которых размеры и форма частиц могут измениться [2]. Это также оказывает влияние на режимы течения и обтекания.

Интенсивность механизма взаимодействия высокоскоростных гетерогенных потоков с поверхностью конструкции определяется их кинетической энергией. Например, уровень кинетической энергии частиц в момент удара о поверхность обтекаемого тела может привести или к их внедрению в тело конструкции или к эрозии поверхности и выбросу в поток новых встречных частиц. Это усугубляет математическое описание процесса обтекания высокоскоростным гетерогенным потоком конструкции летательного аппарата. Задача описания становится ещё более сложной, поскольку в условиях реального полёта летательного аппарата гетерогенные потоки являются полидисперсными. В таком случае, частицам в потоке свойственно распределение по размерам и массе, что необходимо учитывать при разработке математической модели. Необходимо отметить, что отличительной особенностью эрозионного разрушения в гетерогенных потоках наряду со скоростью соударения является также и многократность соударения. Предполагается, что из-за данных фактов на данный момент не получается связать скорость эрозионного разрушения с каким-либо параметром теории пластичности и упругости [2].

Важным фактом является то, что скорость теплового разрушения поверхности преграды при взаимодействии с гетерогенным потоком, содержание «К-фазы» в котором составит даже 1%, может увеличится в несколько раз. Необходимо отметить также, что эрозионное разрушение начинается при скорости соударения частиц «К-фазы» о поверхность преграды 100 - 200 м/с. Данная величина значительна ниже порогового значения теплового разрушения для неохлаждаемых металлических конструкций.

Количество исследований эрозионного разрушения резко увеличилось за последние четыре десятилетия [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]. Интерес к исследованиям эрозионной стойкости материалов как в нашей стране, так и за рубежом особенно повысился за последние 20-25 лет. Такие понятия как «эрозионное разрушение» и «теплообмен в гетерогенных потоках» стали широко использоваться. Под эрозионным разрушением подразумевают процесс уноса

массы какого-либо материала (преграды) под воздействием потока бомбардирующих его частиц.

Основные физические процессы, имеющие место при эрозии, такие как: преобразование относительной кинетической энергии удара в тепловую и кинетическую энергию осколков соударяющихся тел, образование и направление эжекции из кратера, размер и форма кратера и т.д. - наилучшим образом могут быть исследованы на основе единичного удара на баллистических стендах. На данных стендах могут быть точно определены скорость удара, а также масса и форма соударяющихся тел. Поэтому для определения основных закономерностей процесса эрозионного разрушения материалов в гетерогенных потоках, исследователями было предложено разделение гетерогенного потока на поток газа-носителя и поток «К-фазы». Соответственно, для этого необходимо было совершенствовать экспериментальные и расчетные методы для изучения соударения одиночных частиц с поверхностью преграды. Все известные экспериментальные и теоретические исследования единичного удара проведены, в основном, применительно к метеоритному повреждению авиационных и космических летательных аппаратов, конструкций солнечных батарей и теплообменников космического назначения и т.п. [2]

При исследовании одиночного удара были получены результаты, которые позволили изучить кинетику установления процесса разрушения, а также определить степень влияние на нее таких параметров как скорость и угол соударения и размер частиц. Естественно, что во все выявленные закономерности входит много эмпирических констант.

Подход разделения гетерогенного потока на поток газа-носителя и поток «К-фазы» не позволил получить ответ на все поставленные исследователями вопросы. Так нет единого мнения по конвективному теплообмену в гетерогенных потоках. Одна группа исследователей утверждает, что присутствие частиц в потоке увеличивает коэффициент теплообмена. Другая группа считает, что присутствие частиц в турбулентном пограничном слое должно приводить к снижению скорости и температуры газа-носителя. Также не удалось привести

обоснование разработанных критериев подобия и установлении диапазонов влияния тепловых, силовых и ударно-волновых процессов [2]. Данные факты не позволяют сравнивать результаты экспериментальных исследований, проведенных на различных установках.

В настоящее время, несмотря на то, что приоритет в изучении данной проблемы принадлежит эксперименту, роль математического моделирования непрерывно растет.

Целью настоящей работы является исследование процесса взаимодействия высокоскоростного гетерогенного потока с элементами конструкции летательного аппарата.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Критический анализ существующих способов моделирования процессов взаимодействия гетерогенного потока с преградой.

2. Критический анализ методов и средств диагностики параметров высокоскоростных гетерогенных потоков.

3. Численное моделирование процессов обтекания высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком элементов конструкции летательного аппарата с использованием предложенной математической модели.

4. Исследование механизма взаимодействия высокоскоростного гетерогенного потока с поверхностью конструкционных материалов.

5. По результатам исследования получение соотношений для расчёта параметров эрозионного разрушения конструкционных материалов.

Положения, выносимые на защиту.

Математическая модель газовой фазы и «К-фазы» процесса обтекания высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком летательного аппарата конической формы, притупленного сферой.

Соотношения для расчёта параметров гетерогенного потока в момент удара о преграду.

Зависимости эффективной энтальпии эрозионного разрушения, как функции температуры поверхности для некоторых теплозащитных материалов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения указанной цели в работе использован экспериментально-теоретический метод исследования механизма взаимодействия высокоскоростного гетерогенного потока с поверхностью отдельных конструкционных материалов. При этом концепция экспериментального метода базировалась на обработке и анализе стендовых экспериментах данных, полученных с имитацией натурных условий. Для проведения вычислительных экспериментов использовались компьютерные технологии - программный комплекс Ansys CFX.

Научная новизна работы выражается в том, что:

- предложена математическая модель процесса обтекания высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком элементов конструкции ЛА конической формы, притупленного сферой. С использованием предложенной модели проведено численное моделирование процесса обтекания гетерогенным потоком поверхности конструкции высокоскоростного ЛА;

- предложены алгоритмы расчёта скорости частиц в сверхзвуковом полидисперсном гетерогенном потоке и инерционного движения частиц сверхзвукового полидисперсного гетерогенного потока через ударную волну и сжатый слой;

- получены зависимости для расчёта скорости частиц разной дисперсности в гетерогенном потоке, вызывающей эрозию поверхности материала в момент удара о преграду, и температуры в зоне контакта при ударе высокоскоростных частиц полидисперсного гетерогенного потока о преграду.

Теоретическая ценность работы заключается в том, что составлена математическая модель взаимодействия высокоскоростного гетерогенного потока с поверхностью конструкционных материалов. Предложен метод её численного решения при заданных граничных условиях.

Практическая значимость работы состоит в том, что получены соотношения для расчёта параметров эрозионного разрушения ряда

конструкционных материалов, которые могут быть использованы при проектировании высокоскоростных ЛА. Получены характеристики эрозионного разрушения некоторых конструкционных материалов.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждаются удовлетворительным совпадением результатов численного решения с использованием предложенной математической модели, с данными стендовых экспериментов, и с тестовыми расчётными данными других авторов, полученными при прочих равных начальных условиях.

Личный вклад соискателя:

- расчётно-теоретическое исследование механизма взаимодействия высокоскоростного гетерогенного потока с поверхностью ряда конструкционных материалов;

- разработка математической модели процесса обтекания высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком элементов конструкции летательного аппарата конической формы, притупленного сферой;

- с использованием предложенной математической модели проведение численного моделирования процесса обтекания гетерогенным потоком поверхности конструкции высокоскоростного летательного аппарата конической формы, притупленного сферой;

- предложены алгоритмы и получены зависимости, позволяющие рассчитать параметры эрозионного разрушения при воздействии высокоскоростного гетерогенного потока с поверхностью ряда конструкционных материалов.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной доложены на научно-технических конференциях:

а) П_Всероссийская научно-техническая конференция «Моделирование авиационных систем» (Москва, Россия, 21-22 ноября 2013г.);

б) «16-я Научно-техническая конференция по аэродинамике» (п. Володарского, Россия, 26-27 февраля 2015г.)

в) 14-я Международная конференция «Авиация и космонавтика — 2015» (Москва, Россия, 16-20 ноября 2015г.);

г) Всероссийская научно-техническая конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, Россия, 24-27 ноября 2015г.);

д) «Одиннадцатая Международная конференция по Неравновесным процессам в соплах и струях» (Оздоровительно-учебный центр МАИ «Алушта», Россия, 25 - 31 мая 2016г.).

По теме диссертации опубликовано 6 работ из них 2 в рецензируемых научных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе и списка литературы; содержит 176 страниц, 82 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 87 наименований.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи работы. Изложены новизна работы, предмет исследования, степень разработанности проблемы. Кратко охарактеризованы методы исследования. Показана теоретическая и практическая значимость работы. Описана структура и объем работы, указаны публикации по теме исследования.

В первой главе диссертационной работы представлены примеры применения высоскоростных гетерогенных потоков в различных отраслях техники, способы моделирования гетерогенных потоков и их взаимодействия с элементами конструкций, описаны силы, действующие в газовом потоке на изолированную частицу.

Во второй главе описаны методы и средства диагностики параметров при исследовании взаимодействия гетерогенных потоков с преградой.

В третьей главе представлена математическая модель процессов термогазодинамики и тепло-масообмена на поверхности ЛА, основанная на решении дискретных аналогов системы уравнений Навье-Стокса и уравнений дополнительных моделей. Данная математическая модель позволяет определять значения параметров гетерогенного потока только на основании известных геометрических характеристик ЛА и параметрах набегающего гетерогенного

потока. Также продемонстрировано численное моделирование процесса обтекания высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком летательного аппарата конической формы, притупленного сферой.

В четвертой главе проведён анализ термо-газодинамики течения сверхзвукового гетерогенного полидисперсного потока при натекании на плоскую преграду. Предложен алгоритм расчёта скорости частиц в сверхзвуковом полидисперсном гетерогенном потоке. Также разработан алгоритм расчета инерционного движения частиц сверхзвукового полидисперсного гетерогенного потока через ударную волну и сжатый слой. В результате анализа полученных расчётных данных установлены возможные режимы взаимодействия сверхзвукового гетерогенного полидисперсного потока с плоской преградой в зависимости от размеров частиц «К-фазы» и их плотности. Показано, что все частицы субмикронного диапазона не достигают поверхности преграды и сносятся вниз по потоку, то есть не взаимодействуют с поверхностью. Получены зависимости для расчёта скорости частиц разной дисперсности и температуры в зоне контакта при ударе высокоскоростных частиц полидисперсного гетерогенного потока о преграду.

В пятой главе проведён анализ физической модели процессов взаимодействия высокоскоростных гетерогенных потоков с поверхностью преграды. Установлено наличие пороговых значений скорости частиц и температуры, при достижении которых реализуется резкое увеличение интенсивности их эрозионного разрушения. Рекомендованы соотношения для их оценки. Рассчитаны зависимости эффективной энтальпии эрозионного разрушения, как функции температуры поверхности для некоторых теплозащитных материалов. Эти данные могут быть использованы при расчёте термоэрозионного разрушения ТЗ элементов конструкции высокоскоростных ЛА. Проведены экспериментальные исследования по выявлению влияния угла падения частиц (угла атаки) сверхзвукового высокотемпературного гетерогенного потока на обрабатываемую поверхность плотного поликристаллического графита В-1.

В заключении формулируются основные результаты диссертационной работы и выводы, следующие из представленных результатов.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ФИЗИЧЕСКОГО И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ ПОТОКОВ С ТВЕРДОЙ

СТЕНКОЙ

Гетерогенные потоки широко используются в различных отраслях промышленности для решения конкретных проблемных задач. Особенно остро стоит задача механической эрозии конструкций высокоскоростных ЛА при взаимодействии с гетерогенными средами (дождевая, пылевая облачность, натекание высокоскоростных струй на конструкцию ЛА при истечении струи из РДТТ).

В данной главе проводится анализ применения высокоскоростных гетерогенных газовых потоков и методов их математического моделирования при решении задач взаимодействия с твердой поверхностью.

1.1. Применение высокоскоростных гетерогенных потоков в различных технологиях промышленного машиностроения

Проведем оценку режимов работы известных установок транспортного и энергетического машиностроения. Для этого сравним их основные тепловые и эрозионные параметры. В качестве тепловых параметров можно использовать такие характеристики как: плотность конвективного теплового потока, обусловленная обтеканием стенки газовой фазой, или температуру торможения (восстановления) набегающего газового потока. В качестве эрозионных параметров - кинетическую энергию частиц набегающего на стенку гетерогенного потока или скорость взаимодействия частиц со стенкой.

На рисунках 1.1 ^ 1.6 представлены схемы, а на рисунке 1.7 основные режимные параметры взаимодействия гетерогенных потоков со стенками или другими элементами конструкций в транспортных системах и энергетическом оборудовании [19].

В этой связи на рисунках из опубликованных данных представлены, с одной стороны, типичные, используемые в технологиях параметры гетерогенных потоков, а с другой, предельные по параметрам варианты естественных природных двухфазных сред в виде дождевых или пылевых образований. Например, в качестве таких вариантов представлены технологии производства, в которых скорости взаимодействия частиц с поверхностью тела составляют несколько метров в секунду (пневмотранспорт, рисунок 1.1). Представлены также и экстремальные значения скоростей - от нескольких километров в секунду при полёте гиперзвуковых ЛА в запыленной атмосфере до десятков километров в секунду при взаимодействии микрометеоритов с поверхностями защитных экранов космических аппаратов (рисунок 1.6).

Кроме того, на рисунках представлен широкий спектр других параметров (например, температур), при которых реализуется взаимодействие гетерогенных потоков с конструкцией. Например, на рисунке 1.2 струйно-абразивная обработка деталей машин осуществляется при нормальных (комнатных) температурах. На рисунке 1.5 процесс взаимодействия атмосферных жидких или твёрдых образований с поверхностью возвращаемого космического аппарата, совершающего вход в плотные слои атмосферы с гиперзвуковой скоростью, реализуется при очень высоких температурах - несколько тысяч градусов.

1.1.1. Использование гетерогенных потоков в пневмотранспорте и в струйно-абразивной обработке деталей конструкций

При движении наземного транспорта в запыленной атмосфере как твердыми, так и жидкими частицами [20], а также при эксплуатации магистралей пневмотранспорта [21] наблюдаются самые низкие скорости гетерогенных потоков - Ур = 20^50 м/с (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1. Схема взаимодействия твёрдых частиц при пневмотрапспортировке газифицированного синтетического топлива При струйно-абразивной обработке деталей машин уровень скоростей гетерогенных потоков достигает Ур = 100^140 м/с, а углы соударения частиц о поверхность - а = 30^90° [22] (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2. Схема струйно-абразивной обработки деталей машин

1.1.2. Использование гетерогенных потоков в авиационной и ракетной

технике

Лопатки газотурбинных установок работают в более жестких условиях, так как скорость соударений жидких или твердых частиц о поверхность лопаток достигает Ур = 500+700 м/с при углах атаки частиц а = 0+90° (рисунок 1.3) [11,

Рисунок 1.3. Схема взаимодействия потоков крупнодисперсных капель воды с

Ещё более интенсивно подвергаются воздействию гетерогенных потоков поверхности элементов конструкций воздушных летательных аппаратов: кромки воздухозаборников, винты вертолетов, лопатки турбореактивных двигателей и др. Скорости взаимодействия частиц с поверхностью в таких условиях могут достигать значений Ур = 1000+1200 м/с при углах атаки а = 40+90°.

При этом максимальный уровень температур газа-носителя в данных потоках таков, что материалы, из которых изготовлены элементы конструкций не разрушаются. В результате появления при полёте ЛА атмосферных образований, таких как дождь, снег, град, пыль возникает интенсивная эрозия элементов конструкции ЛА, которая может не только повлиять на режимные параметры аппаратов, но в ряде случаев значительно сократить ресурс их работы или даже вызвать аварийную ситуацию.

В ещё более жёстких условиях термоэрозионного воздействия гетерогенных высокотемпературных сверхзвуковых струй ракетных твёрдотопливных двигателей [24] работают элементы сверхзвуковых сопел

23].

сопловыми решётками паровых турбин

(рисунок 1.4) [25]: критическое сечение, стенки выходных устройств. Например, при взаимодействии гетерогенного потока со стенками в критическом сечении уровень скоростей частиц в нем достигает значений Ур = 1000 м/с при температуре потока Тё = 3500+4000 К.

Кроме того, жидкие частицы окислов металлов, содержащиеся в топливе и достигающие в камере сгорания размеров до dp = 40+50 мкм, при течении в критическом сечении сопла разрушаются до дисперсии dp ~ 4+10 мкм. Скорости частиц в данных гетерогенных потоках на выхлопных кромках сверхзвуковых раструбов достигают значений Ур = 2000+2500 м/с при статических температурах газа-носителя гетерогенного потока до = 1000+1500 К и углах взаимодействия частиц «К-фазы» со стенкой до а = 3+8°.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Буляккулов, Марсель Маратович, 2018 год

Список литературы

1. Никитин П.В. Гетерогенные потоки в инновационных технологиях. -М.: Янус-К, 2010. - 244 с.

2. Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Ревизников Д.Л. Теплообмен и разрушение тел в сверхзвуковом гетерогенном потоке. - М.: Янус-К, 2007. - 392 с.

3. Клейс И.Р., Ууэмыйс Х.Х. Износостойкость элементов измельчителей ударного действия. - М.: Машиностроение, 1986. - 157 с.

4. Nikitin P.V. Heat Protection of Spacecrafts // Report of Second Russian -Chines Scienific Conference "Aero - and Space Engines Power Plants", 1992 - 8с.

5. Nikitin P.V. Problem issues of development Thermal Protection Systems for Spacecraft // The paper of the First International Conference on Aerospace Heat Exchanger Technology, Palo Alto, California, USA. February, 1993. - C. 56 - 60.

6. Nikitin P.V. The Thermal Protection Systems for Spacecraft // The paper of The 6-th International Symposium on Transport Phenomena in Thermal Engineering. Seoul, Korea, May, 1993. - C. 42 - 47.

7. Вараксин А.Л. Столкновения в потоках газа с твердыми частицами. М.: Физматлит, 2008. - 312 с.

8. Осипцов А.Н., Шапиро Е.Г. Влияние мелкодисперсной примеси на структуру пограничного слоя при гиперзвуковом обтекании затупленного тела // МЖГ. 1986. № 5. - C. 55.

9. Яненко Н.Н., Солоухин Р.И., Папырин А.Н., Фомин В.М. Сверхзвуковые двухфазные течения в условиях скоростной неравновесности частиц. - Новосибирск: Наука, 1980. - 159 с.

10. Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. — М.: Машиностроение, 1974. - 212 с.

11. Перельман Р.Г. Эрозионная прочность деталей двигателей и энергоустановок летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1980. - 245 с.

12. Панкратов Б.М., Полежаев Ю.В., Рудько А.К. Взаимодействие материалов с газовыми потоками. - Машиностроение, 1976. - 224 с.

13. Василевский Э.Б., Осипцов А.Н., Чирихин А.В., Яковлева Л.В. Теплообмен на лобовой поверхности затупленного тела в высокоскоростном потоке, содержащем малоинерционные частицы // ИФЖ. 2001. Т. 74. № 6. - С. 25.

14. Моллесон Г.В., Стасенко А.Л. Взаимодействие двухфазной струи с твердым телом с образованием "хаоса" частиц // ТВТ. 2013. Т. 51. № 4. - С. 598.

15. Моллесон Г.В., Стасенко А.Л. Исследование обтекания тела газодисперсным потоком с большой массовой долей твердых частиц // Ученые записки ЦАГИ. 2014. Т. XLV. № 4. С. 65.

16. Моллесон Г.В., Стасенко А.Л. Особенности обтекания затупленного тела сверхзвуковой струей с закруткой отраженных частиц // ТВТ. 2011. Т. 49. № 1. С. 73-80.

17. Буляккулов М.М., Никитин П.В. Математическая модель обтекания высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком летательного аппарата конической формы, притупленного сферой // Тепловые процессы в технике. - 2015. - N11. - С. 490-497.

18. Буляккулов М.М., Никитин П.В. Численное моделирование процессов обтекания высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком летательного аппарата конической формы, притупленного сферой // Тепловые процессы в технике. - 2015. - N12. - С. 558-565.

19. Деревенщиков В.Б., Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Шебеко В.Н. Возможности моделирования и стенды для теплоэрозионных исследований. - М.: Предпринт/ИВТАН, 1994. №2. 62с.

20. Кондрашов Э.К., Владимирский В.Н. Эрозионостойкие лакокрасочные покрытия. - М.: Химия, 1989.

21. Бирюков В.И., Виноградов В.Н., Мартиросян М.М. и др. Абразивное изнашивание газопромыслового оборудования. - М.: Недра, 1967.

22. Поволоцкий А.Е. Струйно-абразивная обработка деталей машин. - К.: Техника, 1989.

23. Спринжер Дж.С. Эрозия при воздействии капель жидкости. - М.: Машиностроение, 1981. - 200 с.

24. Буляккулов М.М., Головнев И.Г., Лапшин К.В., Платов С.А., Семенов А.С. Численное моделирование процесса выхода АСП из отсека самолета-носителя с оценкой совместимости и безопасности применения. // Сборник тезисов докладов II Всероссийской научно-технической конференции «Моделирование авиационных систем». Москва. ГосНИИАС. 21-22 ноября 2013. С. 184.

25. Шишков А.А., Панин С.Д., Румянцев В.Б. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива. Справочник. - М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

26. Гущин В.В., Колосов Б.И., Потапов И.Н. Исследование соударения высокоскоростных частиц с полубесконечной преградой при учете инерционности тепловых процессов. - М.: Предпринт/ЦНИИАИ, 1983.

27. Поволоцкий Е.А., Ясев А.Г., Гришин В.С., Маринченко И.А. Имитационное моделирование процесса обработки потоком абразивных частиц // Изв. ВУЗов. Машиностроение. - 1987. - №4. - С. 182-188.

28. Златин Н.А., Красильщиков А.П., Мишин Г.Н., Попов Н.Н. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях. - М.: Наука, - 1974.

29. Полежаев Ю.В. Методы и средства газодинамических испытаний летательных аппаратов. - М.: МАИ, 1983. - 89 с.

30. Полежаев Ю.В., Шишков А.А. Газодинамические испытания тепловой защиты. Справочник. - М.: Промедэк, 1992. - 248 с.

31. Patent USA № 3893335, cl. 73 - 147. Device for simulating reentry conditions in a particle laden atmosphere / Johnson R., Von Ohin H. - 1975.

32. Игнатов С.Ф., Репин И.В., Сахаров В.П. Установка для испытания материалов на износостойкость при ударе твердых частиц // Заводская лаборатория. - 1981. - Т.47, N18. - С.89 - 91.

33. Игнатов С.Ф., Михатулин Д.С., Чирков И.В. Результаты исследования движения частиц в сопле Лаваля // Изв. АН СССР. МЖГ. - 1982. - N4. - С. 163167.

34. Shneider P.J. Reentry weather erosion simulater // AIAA Paper N78 - 816.

35. Рахматуллин Х.А. Основы газодинамики взаимопроникающих движений сжимаемых сред // ПММ, 1956. - Т.20, вып.2. - С. 184-195.

36. Elghobashi S. Particle-Laden Turbulent Flow: Direct Simulation and Closure Models // Applied Scientific Research, 1991. - V.48. - P. 301.

37. Яненко Н.Н., Солоухин Р.И., Папырин А.Н., Фомин В.М. Сверхзвуковые двухфазные течения в условиях скоростной неравновесности частиц. - Новосибирск.: Наука, 1980. - 159 с.

38. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. - 2-е изд. М.: Энергоиздат, 1981. - 423 с.

39. Henderson C. B. Drag Coefficients of Spheres in Continuum and Rarefied Flows // AIAA Journal, 1976. - V. 14. - P. 707.

40. Лазерная диагностика потоков. Под ред. В.А. Фабриканта. - М.: Изд-во МЭИ, 1990. - 287 с.

41. Ринкевичюс Б.С. Лазерная анемометрия. — М.: Энергия, 1978. - 159 с.

42. Лазерное допплеровское измерение скорости газовых потоков. Сб.№1 / Под общ. ред. Г.Л. Гродзовского. - М.: Изд. ЦАГИ, 1976. - 286 с.

43. Стернин Л.Е., Шрайбер А.А., и др. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами. - М.: Машиностроение, 1980. - 172 с.

44. Меснянкин С.Ю., Никитин П.В. Система диагностики высокотемпературных газовых потоков. Учебное пособие. - Москва, МАИ, 1991. - 56с.

45. Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967. -

599 с.

46. Корн Г.А., Корн Т.М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1984. - 831с.

47. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. - М.: Машиностроение, 1972. - 332 с.

48. Гордов А.Н. Основы пирометрии. - М.: Металлургия, 1977. - 477 с.

49. Гордов А.Н., Жугалло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 304 с.

50. Рогельберг И.Л., Бейлин В.М. Сплавы для термопар. Справочник. -М.: Металлургия, 1983. - 360 с.

51. Чернин СМ., Коган А.В. Измерение температуры малых тел пирометрами излучения. - М.: Энергия, 1980. - 95 с.

52. Авдуевский В.С., Галицейский Б.М., Глебов Г.А. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике: учеб. для авиационных специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 528 с.

53. Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Ревизников Д.Л. Тепломассообмен, термохимическое и термоэрозионное разрушение тепловой защиты. Курс лекций. - М.: ЯНУС-К, 2011. - 520 с.

54. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Гостехиздат,

1953.

55. Лепешинский И.А. Газодинамика одно- и двухфазных течений в реактивных двигателях. - М.: Издательство МАИ, 2003.

56. Буляккулов М.М., Никитин П.В. Численное моделирование процессов обтекания высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком летательного аппарата конической формы, притупленного сферой. // Сборник тезисов докладов 14-й Международной конференции «Авиация и космонавтика -2015». Москва. МАИ. 16-20 ноября 2015. С.388-389.

57. Никитин П.В. Тепловая защита: учеб. Высшей школы. - М.: Изд. МАИ, 2006. - 512 с.

58. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

59. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х томах: Т. 1 / Пер. с англ. - М.: Мир, 1991. - 504 с.

60. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х томах: Т. 2 / Пер. с англ. - М.: Мир, 1991. - 552 с.

61. Д. Л. Ревизников, А. В. Способин. Численное моделирование воздействия дисперсной фазы на поверхность затупленного тела в сверхзвуковом запыленном потоке // Математическое моделирование, 2007. - С. 101-111.

62. Tshirkunov Yu.M. Gas-particle flows around bodies - key problems. Modeling and numerical analysis // Proc. Fourth International Conference on Multiphase Flow (Ed.: E. Michaelides), May 27 - June 1, 2011, New Orleans, USA. -CD ROM Proc. ICMF'2001, paper №609. - 31 p.

63. Crowe C.T., Sommerfeld M., Tsuji Y. Multiphase flows with droplets and particles. CRC Press LLC, 1998. - 471 p.

64. Буляккулов М.М., Никитин П.В. Моделирование процессов обтекания высокоскоростным неизотермическим гетерогенным потоком космического летательного аппарата. // Сборник тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века». Москва. ЦИАМ имени П.И. Баранова. 24-27 ноября 2015. С.330-331.

65. ANSYS CFX v.10. Release. Theory Reference.

66. Chung T. J. Computational Fluid Dynamic. - Cambridge: Cambridge University Press, 2002. - 1021 p.

67. Ferziger J. H., Peric M. Computatational Methods for fluid Dynamics. - 3, rev. ed. - Berlin: Springer, 2002. - 423 p.

68. Буляккулов М.М., Никитин П.В. Решение задачи взаимодействия неизотермического гетерогенного потока с поверхностью высокоскоростного летательного аппарата. // Материалы XI Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях. Алушта. 25-31 мая 2016. С.65-67.

69. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. - М.: Энергия, 1976. -

392 с.

70. О.М. Белоцерковский и др. Обтекание затупленных тел сверхзвуковым потоком газа. - М.: Изд. АН СССР, 1966.

71. Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Репин И.В. Гетерогенные потоки: газодинамика, теплообмен, эрозия. М.: Препринт ИВТАН, 1997. №2. 402 c.

72. Михатулин Д.С., Полежаев Ю.С. Моделирование процесса теплоэрозионного воздействия двухфазных сред. МЖГ - М.: изд. АН СССР, 1989. №4. С. 92 - 98.

73. Стернин Л.Е., Шрайбер А.А. Многофазные течения газа с частицами. - М.: Машиностроение, 1994, 320с.

74. Полежаев Ю.В. О механизме взаимодействия атмосферных образований на летательные аппараты. Сборник статей: Исследование высокоскоростных ударных явлений. - М.: ВВНА им. Жуковского Н.Г., 1981. С. 29 - 43.

75. Лойтянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: «Наука», 1973, 847с.

76. Семилетенко Б.Г., Усков В.Н. Экспериментальные зависимости, определяющие положение ударных волн в струе, истекающей на преграду, перпендикулярно ее оси. // ИЖФ, 1972. XXIII. № 3. С.453 - 458.

77. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Течения газа в соплах - М.: Издательство МГУ, 1978. - 351 с.

78. Волков В.А., Маслов Б.Н., Пирумов У.Г. Зависимость потерь удельного импульса сопла Лаваля от характера протекания кристаллизации частиц конденсата. // Течение разреженного газа с частицами/. Сборник трудов VIII Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов. М.: МАИ, 1987.

79. Костиков В.И., Митин Б.С. О движущей силе растекания жидкой фазы по твердой; Сб. Высокотемпературные материалы. М.: Металлургия, 1986.

80. Перельман Р. Г. Эрозия элементов двигателей энергоустановок. - М.: Машиностроение, 1986. 251 с.

81. Мак-Куин Р., Марш С. Динамические испытания твердых тел при высоких давлениях. — М.: Мир, 1965. 93 с.

82. Никитин П.В., Степаненко С.А. Газодинамика и межфазный теплообмен при натекании сверхзвукового гетерогенного потока на преграду. // Поиск, 2008, т.15, №5, С. 34-40.

83. Ададуров Г.А., Бавина Т.В., Бреусов О.Н., Дремин А.Н., Клопова Е.Н., Таций В.Ф. О химических процессах при ударном сжатии. - ВИНИТИ, деп. №328 - 68 .

84. Степаненко С.А. Теплофизика и межфазный теплообмен при формировании защитных покрытий низкотемпературным газодинамическим методом. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. - М.: МАИ, 2008.

85. Шоршоров М.Х., Харламов Ю.А. Физико-химические основы детонационно - газового напыления покрытий. - М.: Наука, 1978. 223 с.

86. Альтшуллер Л.Л. Успехи физических наук. 1965, т. 65, вып.7. 197 с.

87. Яворский Б.М. и др. Справочник по физике. - М.: Наука, 1974. С. 259.

88. Харламов Ю.А. Механизм пластической деформации при формировании газотермических покрытий. // Порошковая металлургия, 1981. №12. С. 31 - 35.

89. Никитин П.В., Степаненко С.А. Тепло - и массообмен при формировании разнофункциональных покрытий сверхзвуковым гетерогенным потоком. // У-ая Международная конференция «Авиация и космонавтика», МАИ, 2006.

90. Альтшуллер Л.Л. Применение ударных волн в физике высоких давлений // Успехи физических наук. 1965, т. 85, вып. 2, с. 199 - 258.

91. Р.И. Нигматуллин, Динамика многофазных сред. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987, 464 с.